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代谢组学有点卷:找到代谢分子的体内直接蛋白靶点才是突破点

代谢组学有点卷:找到代谢分子的体内直接蛋白靶点才是突破点

  • 分类:华盈视角
  • 作者:小高
  • 来源:达吉特公众号

【概要描述】从微生物到人类,氨基酸对生物体都是必不可少的,生物体都包含相同的20种氨基酸,它们在体内发挥着多种多样的生物学功能。

代谢组学有点卷:找到代谢分子的体内直接蛋白靶点才是突破点

【概要描述】从微生物到人类,氨基酸对生物体都是必不可少的,生物体都包含相同的20种氨基酸,它们在体内发挥着多种多样的生物学功能。

  • 分类:华盈视角
  • 作者:小高
  • 来源:达吉特公众号
  • 发布时间:2023-06-25 16:44
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从微生物到人类,氨基酸对生物体都是必不可少的,生物体都包含相同的20种氨基酸,它们在体内发挥着多种多样的生物学功能。然而它们的直接作用靶点却很少有文献报道,2023年3月, Nature commun(IF=17.694)和EMBO J(IF=14.021)报道了国内学者发表的两篇高水平文章,分别阐明了丝氨酸和精氨酸在延缓细胞衰老和调控成体神经干细胞活化方面的作用,并阐明了它们的直接作用靶点。

|   01、Nature commun:丝氨酸通过靶向PKM2延缓细胞衰老

衰老是大多数人类疾病的主要风险因素,包括癌症、心脏病和糖尿病。衰老的一个重要标志是细胞衰老,清除自然产生的衰老细胞可以改善小鼠模型中与年龄相关的病理,延长健康寿命。衰老的内皮细胞(EC)被认为是导致血管老化和与年龄相关的血管疾病(特别是动脉粥样硬化和高血压)的重要因素。尽管EC依靠糖酵解来产生能量,但人们对糖酵解在EC衰老中的作用知之甚少。

2023年3月10日,湖北大学生命科学学院余希岚/李珊珊教授团队在Nature Communications(IF=17.694)发表了题为“Phosphoglycerate dehydrogenase activates PKM2 to phosphorylate histone H3T11 and attenuate cellular senescence”的文章,该研究表明丝氨酸而非其下游代谢物(如甘氨酸)能够激活丙酮酸激酶 PKM2延缓血管内皮细胞衰老,为抗衰老药物开发提供了重要的理论依据。

1、丝氨酸延缓细胞衰老

研究人员首先通过转录组测序(RNA-seq)发现,在衰老的血管内皮细胞中糖酵解衍生的丝氨酸生物合成显著下调,特别是丝氨酸合成通路的关键限速酶磷酸甘油酸脱氢酶PHGDH(图1A、B)。衰老的血管内皮细胞中的丝氨酸的含量也显著下降(图1C)。敲低PHGDH的表达加速细胞的衰老,而过表达PHGDH或者添加丝氨酸(而非其代谢物)后,细胞衰老得到了显著改善(图1D、E)。这些结果说明丝氨酸代谢对于延缓细胞衰老很重要。

图1 丝氨酸延缓细胞衰老

 

2丝氨酸的直接作用靶点PKM2

为了确定丝氨酸的潜在靶标,研究人员采用了药物亲和反应靶标稳定性(DARTS)技术,将丝氨酸与HeLa细胞裂解物孵育,然后用链霉蛋白酶消化,通过质谱发现丝氨酸可以保护PKM2免于蛋白酶水解(图2A),Darts+WB(图2B)和分子对接(图2C也表明丝氨酸可以直接结合PKM2。进一步研究显示PKM2的表达在衰老HUVECs中显著降低(图2D),PKM2缺失还加速细胞衰老(图2E),总的来说,这些数据表明丝氨酸通过靶向PKM2延缓细胞衰老。最后,研究人员在动物水平发现在衰老小鼠的心脏组织中PHGDH的转录水平下降,PKM2被降解,导致H3pT11整体水平下降,SIRT1的转录水平下降,而在衰老小鼠里靶向血管内皮过表达PHGDH和PKM2显著改善小鼠衰老表型,证明了PHGDH-PKM2-H3pT11-SIRT1 信号通路在调控血管内皮细胞衰老中的重要作用(图2F、G)。

图2 丝氨酸的直接作用靶点PKM2

|   02、EMBO J:精氨酸通过靶向HK1调控成体神经干细胞的活化

神经干细胞静止态和激活态之间的平衡对于保持神经干细胞的数量以及维持大脑稳态和功能起着至关重要的作用。神经干细胞过度处于静止状态,则导致神经干细胞不能够产生足够的新生神经元维持其功能;而神经干细胞的过度活化最终会导致神经干细胞库衰竭,也会最终导致其功能的丧失。细胞代谢决定了细胞的能量状态,与神经干细胞的活性和神经的分化密不可分。然而,细胞代谢的稳态是如何调控神经干细胞静止和激活之间的平衡仍然不清楚。

2023年3月15日,中国科学院遗传与发育生物学研究所郭伟翔研究员团队在EMBO J(IF=14.012)发表了题为“L‐arginine homeostasis governs adult neural stem cell activation by modulating energy metabolism in vivo”的文章,揭示了精氨酸酶-II(Arginase-II)介导的细胞内精氨酸稳态通过影响细胞代谢重塑,从而维持成体神经干细胞库和成体神经发生的分子机制。

1、精氨酸调控成体神经干细胞的活化

研究通过Arginase-II全身性敲除和成体神经干细胞特异性敲除的成年小鼠中发现Arginase-II在成体神经干细胞库的维持起着重要作用,Arginase-II敲除导致NSC(神经干细胞)过度激活会导致其神经干细胞库随着年龄的增长而耗尽(图3A)。此外,体内和体外结果都显示出Arginase-II-KO小鼠中L-精氨酸浓度的升高(图3B),在体内和体外模拟高浓度的精氨酸水平,发现可以显著增加神经干细胞增殖(图3C、D)。

图3精氨酸调控成体神经干细胞的活化

2、精氨酸的直接作用靶点HK2

为了确定精氨酸的潜在靶标,研究人员采用了药物亲和反应靶标稳定性(DARTS)技术,筛选到了与L-arginine结合的己糖激酶(HK1)(图4A)。通过Darts+WB(图4BSPR(图4C验证了L-arginine确实可以结合HK1,酶活实验显示L-arginine不影响HK蛋白的酶活(图4D)。已有研究表明HK1通过与线粒体电压依赖性阴离子通道1(VDAC1)的可逆相互作用与线粒体外膜结合。研究发现与WT-aNPCs相比,KO-aNPCs(神经干细胞)在线粒体部分中HK1蛋白的表达水平较低,但在胞质溶胶中的表达水平较高(图4E)。进一步Co-IP实验和邻位连接实验(PLA)证明精氨酸浓度的升高会抑制HK1与线粒体外膜上的VDAC1的互作,并影响HK1附着到线粒体上。HK1从线粒体外膜上脱落可以诱导成体神经干细胞将能量代谢从糖酵解转变为氧化磷酸化,而抑制氧化磷酸化可使过度激活的神经干细胞恢复静止,恢复Arginase-II敲除小鼠的异常成体神经发生(图4F)。

图4 精氨酸的直接作用靶点HK1

|   总结与讨论

代谢物不仅是机体表型的标志物,还可与蛋白直接结合调控蛋白功能,改变疾病相关信号通路,影响疾病进展。通过发现代谢物的直接作用靶点用以解释代谢物的功能已成为高水平研究的标配,前期我们也做过相关报道“代谢组学研究2.0时代已经到来:发现代谢小分子的靶点蛋白是关键”。在确定代谢物小分子以后,可通过20K人类蛋白质组芯片、Pull down+MS、DARTS+MS等技术实现对代谢物直接靶蛋白的筛选,进一步可通过分子对接、SPR、ITC、CETSA、Pulldown+WB等方法进行验证,而其中最常用的验证手段为SPR。

上面的两个案例在发现内源性代谢物丝氨酸和精氨酸的作用以后,均通过药物亲和反应靶标稳定性(DARTS)技术找到了其直接作用的靶点并进行了验证。

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|   相关文献

Wu Y, Tang L, Huang H, et al. Phosphoglycerate dehydrogenase activates PKM2 to phosphorylate histone H3T11 and attenuate cellular senescence. Nat Commun. 2023 Mar 10;14(1):1323.

Xu M, Guo Y, Wang M, et al. L-arginine homeostasis governs adult neural stem cell activation by modulating energy metabolism in vivo. EMBO J. 2023 Mar 15;42(6):e112647.

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